Nghiên cứu nguy cơ sự cố do mưa lũ nhằm nâng cao an toàn các hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu nguy cơ sự cố do mưa lũ nhằm nâng cao an toàn các hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN VĂN LỢI NGHIÊN CỨU NGUY CƠ SỰ CỐ DO MƢA LŨ NHẰM NÂNG CAO AN TOÀN CÁC HỒ CHỨA NHỎ VÙNG BẮC TRUNG BỘ Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số : 62 58 02 12 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2017
2. Công trình được hoàn thành tại Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Đoàn Doãn Tuấn Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam vào lúc giờ ngày . tháng .năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
3. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Theo số liệu thống kê của Tổng cục Thủy lợi năm 2014, vùng Bắc Trung Bộ (BTB) có số lượng lớn các hồ chứa với dung tích 1÷3 triệu m3 (chiếm 29,6% tổng số hồ loại này của cả nước), và với dung tích 0,2÷1 triệu m3 (chiếm 32,6% tổng số hồ loại này của cả nước). Các số liệu hiện có cho thấy tình trạng chất lượng công trình các hồ chứa vùng BTB bị xuống cấp, mà một trong các nguyên nhân là do điều kiện địa hình và các hình thái thời tiết cực đoan ngày càng gia tăng. Do vậy, nghiên cứu nguy cơ sự cố do mưa lũ nhằm nâng cao an toàn các hồ chứa nhỏ vùng BTB cả về cách tiếp cận, phương pháp luận và phân tích lựa chọn phương pháp kỹ thuật phù hợp là rất cần thiết làm cơ sở hoạch định chính sách và xây dựng kế hoạch trong duy tu, sửa chữa, quản lý, khai thác và bảo vệ an toàn cho công trình hồ chứa. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu xác định phân bố mưa 24h liên tục lớn nhất (LTLN) có nguy cơ gây ra sự cố cho công trình hồ chứa và thông số ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình dòng chảy lũ đến hồ chứa theo phân bố chuẩn mưa 24h liên tục, phục vụ tính toán thiết kế công trình xả lũ và đề xuất giải pháp nhằm nâng cao an toàn hồ chứa do ảnh hưởng của mưa lũ; - Nghiên cứu đề xuất phương pháp luận phân cấp mức độ nguy cơ sự cố do mưa lũ các công trình hồ chứa nhỏ, áp dụng cho vùng BTB. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Các hồ chứa nước nhỏ chia làm hai nhóm dung tích (1÷3 triệu m3) và (0,5÷1 triệu m3) có đập là đập đất, tràn xả lũ là tràn tự do vùng BTB; - Phạm vi nghiên cứu: Tập trung chủ yếu vào các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và Quảng Trị là nơi tập trung nhiều hồ chứa nhỏ, có số lượng hồ-đập bị sự cố chiếm tỷ lệ lớn trong vùng. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Các phương pháp sử dụng trong luận án: Phương pháp kế thừa; Thu
4. 2 thập tổng hợp tài liệu đã có, điều tra khảo sát thực địa; Xác suất thống kê, phân tích tương quan và phân bố biến ngẫu nhiên; Mô hình thủy văn mưa-dòng chảy (HEC-HMS); Phương pháp chuyên gia. 5. Những đóng góp mới của luận án - Xác định tần suất mưa 1 ngày lớn nhất, xác định tần suất mưa 24h LTLN khu vực nghiên cứu, vai trò quan trọng của mưa 24h LTLN trong tính toán thiết kế công trình xả lũ và xác lập mối tương quan giữa mưa 1 ngày lớn nhất và mưa 24h LTLN; - Xây dựng và đề xuất phương pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố với các luận giải khoa học các chỉ số cơ bản thể hiện mức độ nguy cơ sự cố liên quan đến mưa lũ của các hồ chứa nhỏ vùng BTB. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Hiện nay, Việt Nam và nhiều nước đang phát triển trên thế giới vẫn chưa có văn bản pháp lý nào quy định về đánh giá nguy cơ sự cố do mưa lũ các hồ chứa thông qua các chỉ số như trong Luận án đề xuất. - Các đặc trưng phân bố mưa (lượng mưa ngày lớn nhất; lượng mưa 24h LTLN; phân bố cường độ mưa 1h trong các trận mưa lớn) được xác định trong Luận án có ý nghĩa quan trọng trong các tính toán thủy văn mưa lũ hồ chứa, và gợi mở sự cần thiết nghiên cứu sâu sắc hơn quy luật phân bố mưa cường độ mưa các thời đoạn khác nhau (15phút, 30phút, 45phút ) của các trận mưa 24h LTLN đối với 03 tỉnh thuộc khu vực nghiên cứu nói riêng và các khu vực khác trên cả nước nói chung. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU NGUY CƠ SỰ CỐ CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 . Sự cố các hồ chứa trên thế giới và ở Việt Nam 1.1.1. Trên thế giới Trên thế giới đã xảy ra rất nhiều sự cố và thiệt hại lớn của hồ chứa với rất nhiều nguyên nhân khác nhau, nguyên nhân chính thường do mưa lũ lớn gây ra. Có thể điểm qua các thảm họa về hồ chứa như:
5. 3 - Châu Âu: Sự cố của đập hồ chứa Maupassant (Pháp) năm 1959 làm chết hơn 450 người. Tại Italia có sự cố hư hỏng đập hồ chứa Stava năm 1985 đã làm 268 người chết, thảm họa đập Vajont năm 1963 làm 1.910 người chết. - Châu Á: Tại Trung Quốc, 3481 đập của hồ chứa bị hỏng trong hơn 50 năm làm 30.000 người chết, thảm họa đập Banquia năm 1975 làm 171.000 người chết. Tại Ấn Độ, thảm họa vỡ đập Machhu-2 năm 1979 đã cuốn đi thành phố công nghiệp Morvi với số người chết khoảng 15.000 người. - Châu Mỹ: Tại Mỹ từ năm 1918 đến 1958 có 33 đập bị phá hủy làm 1.680 người chết và trong vòng 2 năm qua (2009-2011) đã có hơn 520 sự cố hồ đập đã xảy ra làm vỡ 21 đập. 1.1.2. Ở Việt Nam Những sự cố và thiệt hại lớn của hồ chứa đã xảy ra tại Việt Nam như: - Khu vực phía Bắc: tại các tỉnh Điện Biên, Quảng Ninh, Tuyên Quang, sau những trận mưa lớn kéo dài. - Khu vực BTB: tại Thanh Hóa sự cố Cửa Đạt (2007), vỡ các đập hồ Đồng Đáng, Khe Luồng, Khe Tuần, Ông Già, Thung Cối, Cây Trầu (2013); tại Nghệ An vỡ đập hồ Quán Hài, Đồn Húng (1978), Tây Nguyên (2012), Khe Tranh, Đồng Sàng (2013); tại Hà Tĩnh vỡ đập Z20, Khe Mơ, đập Trứng (2010); tại Quảng Bình vỡ đập hồ Cây Tắt; Khe Cày, nước tràn qua đỉnh đập Hố Hô (2010); tại Quảng Trị vỡ đập Đakrông 3; nước tràn đập hồ Miếu Bà (2012). - Khu vực khác: ngoài ra sự cố đập và vỡ đập xảy ra ở nhiều các tỉnh có hồ chứa như Khánh Hòa (Suối Hành, Am Chúa, Suối Trầu), Đăk Lăk (Buôn Bông), Ninh Thuận ( Phước Trung), 1.2 . Tổng quan nghiên cứu về mƣa lũ gây nguy cơ sự cố hồ - đập trên thế giới và ở Việt Nam 1.2.1. Trên thế giới - Về công cụ đánh giá an toàn hồ chứa: Nước Anh (2004) xuất bản
6. 4 Hướng dẫn giữa kỳ đánh giá định lượng nguy cơ sự cố hồ chứa ở Anh Quốc nhằm cung cấp một công cụ phục vụ quản lý an toàn hồ chứa - đây là cơ sở để A.K. Hughes, D.S. Bowles, M. Morris (2009) đưa ra hướng dẫn quản lý nguy cơ sự cố hồ đập và Mark Morris và nnk (2012) xây dựng hướng dẫn mới đánh giá nguy cơ sự cố hồ đập. Cục Bảo vệ tài nguyên thiên nhiên (NRCS) - Bộ Nông nghiệp Mỹ (2009) đã dùng nhiều hạng mục đánh giá để xác định mức độ nguy cơ sự cố hồ chứa, trong đó có phương pháp và các chỉ tiêu dùng để phân loại và đặc trưng phân bố mưa lớn. NRCS đã công bố tài liệu về hư hỏng đập tràn do thời gian dòng chảy lũ đến hồ lớn hơn yêu cầu thiết kế là mưa cực trị LN tối thiểu là 6h liên tục thành hoặc là mưa 24h LTLN hoặc bằng việc sử dụng mưa nhiều thời đoạn. Guadalupe-Blanco River Authority (2011) qua tổng hợp phân tích các sự cố hồ chứa và tìm ra 13 nguyên nhân, trong đó nguyên nhân mƣa kéo dài và lũ được coi là nguyên nhân chính gây ra các sự cố đập. - Về đặc trưng phân bố mưa: David M. Hershfield (1961) đã phân tích tính toán các tần suất và quan hệ giữa các đại lượng mưa theo thời đoạn (giờ, vài giờ, ngày, vài ngày) ở các tần suất khác nhau đối với lãnh thổ nước Mỹ. Demetris Koutsoyiannis (1998)đã xây dựng phương pháp giá trị cực trị tổng quát (Generalized Extreme Value-GEV) biến đổi đơn giản phương pháp xác suất của Hershfield xác định lượng mưa cực hạn có thể (PMP) (Probable Maximum Precipitation) được định nghĩa là “lượng nước mưa LN về mặt lý thuyết có khả năng xảy ra trên một khu vực lãnh thổ xác định trong một khoảng thời gian nhất định trong năm”. J.C. Smithers and R. E. Schulze (2002) đã xác định mối tương quan giữa phân bố mưa một ngày, vài ngày, mưa 24h LTLN và vài giờ được phân tích nghiên cứu xác định cho Nam Phi. 1.2.2 . Ở Việt Nam Vũ Đình Hùng (2007) đã đưa ra kết luận sự cố vỡ đập do: Hỏng tràn xả lũ chiếm 25,39%, chưa kể do khẩu diện tràn xả lũ không có đủ
7. 5 năng lực thoát được lũ thực tế dẫn đến nước hồ dâng cao hơn tràn và phá huỷ đập Phạm Ngọc Quý và nnk (2005) với đề tài "Nghiên cứu công nghệ cảnh báo, dự báo lũ và tính toán lũ vượt thiết kế ở các hồ chứa vừa và nhỏ-giải pháp tràn sự cố" đã xây dựng công nghệ tính toán lũ vượt thiết kế cho các hồ chứa vừa và nhỏ; Kết quả nghiên cứu của Phạm Ngọc Quý (2008) đã góp phần đưa ra tiêu chí cho công tác xây dựng bổ sung công trình tràn sự cố đối với hồ chứa có nguy cơ sự cố cao. Dự án 2 về Quản lý an toàn đập - World bank (2012) là dự án của Ngân hàng so sánh với kết quả phân cấp nguy cơ sự cố hồ chứa ở Chương 2 cho thấy các hồ được lựa chọn đều thuộc loại có rủi ro cao. Phạm Ngọc Quý và nnk (2013-2015) trong đề tài NCKH cấp “Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu đến sự làm việc an toàn đập đất của hồ chứa nước và đề xuất bộ tiêu chí đánh giá an toàn đập” và Phạm Ngọc Quý và nnk (2016) có xây dựng “Bộ tiêu chí và phương pháp đánh giá an toàn hồ đập đất dung tích từ 200.000 m3 đến 10 triệu m3”. Từ các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn hồ chứa, nhóm tác giả đã xây dựng lên 05 quy trình đánh giá an toàn theo các bộ tiêu chí: Lũ, địa chất - địa chấn, thấm, kết cấu - ổn định, quản lý vận hành, sau đó tiến hành đánh giá tổng hợp an toàn đập để đưa ra kết luận mức độ an toàn hồ theo ba cấp độ: (1) An toàn cao hay nguy cơ vỡ đập thấp; (2) An toàn hay nguy cơ vỡ đập TB; (3) Nguy cơ mất an toàn hay nguy cơ vỡ đập cao. Trong 5 tiêu chí nghiên cứu, có tiêu chí lũ với quy trình đánh giá an toàn hồ chứa gồm 12 bước. 1.3. Kết luận Chƣơng 1 Những nghiên cứu về sự cố hồ đập, về mưa lũ gây nguy cơ sự cố hồ- đập trên thế giới và ở Việt Nam đã nhận dạng một cách đầy đủ các nguyên nhân gây sự cố hư hỏng đập, trong đó mưa kéo dài và lũ là nguyên nhân chủ yếu gây sự cố hồ đập. Hiện chưa có công trình nghiên cứu nào theo hướng phân cấp nguy cơ sự cố do mưa lũ hồ chứa với các chỉ số Luận án đề xuất ở vùng BTB. Tác giả đã phân
8. 6 tích, đánh giá đặc điểm, hiện trạng các hồ chứa nhỏ ở Việt Nam, cũng như các nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính phân bố mưa lớn và các ảnh hưởng của lũ lớn đến an toàn của đập đất hồ chứa ở vùng BTB. Vì vậy, nghiên cứu xây dựng phương pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố các công trình hồ chứa nhỏ và áp dụng phân cấp theo 5 cấp nguy cơ sự cố đối với khu vực nghiên cứu với các chỉ số thể hiện nguy cơ sự cố hồ đập; áp dụng đối với khu vực nghiên cứu để xác định tính đúng đắn về mặt lý thuyết và sự phù hợp với thực tiễn. Sơ đồ nội dung các bước phân cấp nguy cơ sự cố do mưa lũ và đánh giá cụ thể sức chịu tải dòng chảy lũ của các hồ chứa nhỏ vùng BTB CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM PHÂN BỐ MƢA VÀ XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP LUẬN PHÂN CẤP NGUY CƠ SỰ CỐ DO MƢA LŨ CÁC HỒ CHỨA NHỎ VÙNG BTB Trong Chương 2 sẽ nghiên cứu đặc điểm phân bố mưa vùng BTB và xây dựng phương pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố do mưa lũ các hồ chứa nhỏ một số tỉnh vùng BTB. 2.1. Đặc trƣng mƣa gây lũ khu vực nghiên cứu Thống kê từ năm 1960 đến nay 3 loại hình thế thời tiết chủ yếu gây mưa lớn làm phát sinh lũ là bão hoặc bão kết hợp với không khí lạnh;
9. 7 hông khí lạnh kết hợp với các hình thế thời tiết khác; dải hội tụ nhiệt đới kết hợp với không khí lạnh hoặc các hình thế thời tiết khác. 2.1.1. Đặc trưng mưa trong các đợt lũ lụt lớn tại Nghệ An Kết quả tổng hợp thống kê các đặc trưng lượng mưa theo thời gian của các trận lũ lớn trên lưu vực sông Cả-Nghệ An từ 1978 đến 2012 cho thấy lũ trên các sông thuộc lưu vực xảy ra thời gian mưa kéo dài trên 3 ngày với lượng mưa 3 ngày từ khoảng 300mm trở lên. 2.1.2. Đặc trưng mưa trong các đợt lũ lụt lớn tại Hà Tĩnh Kết quả tổng hợp thống kê các đặc trưng lượng mưa theo thời gian của các trận lũ lớn trên lưu vực sông Ngàn Sâu huyện Hương Khê cho thấy lũ khu vực huyện Hương Khê xảy ra đối với thời gian mưa kéo dài trên 3 ngày với lượng mưa là mưa thường từ 562mm (năm 2002) đến 805mm (2007 và 2010) và lên tới trên 9 ngày. 2.1.3. Đặc trưng mưa trong các trận lũ lụt lớn tại Quảng Trị Kết quả tổng hợp thống kê các đặc trưng lượng mưa theo thời gian của các trận lũ lớn trên sông Thạch Hãn khu vực huyện Hải Lăng cho thấy nếu mưa lớn từ trên 340mm tập trung trong thời gian 30h và từ trên 420mm tập trung trong thời gian 48h sẽ xảy ra lũ lụt trong vùng. 2.2. Các yếu tố lƣu vực ảnh hƣởng đến sự hình thành dòng chảy lũ Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hình thành dòng chảy lũ được Geoffrey S. Dendy (1987) là: Thời gian nước đến, thời gian tập trung dòng chảy tràn và thời gian trễ; hình dáng, diện tích lưu vực; địa hình; khả năng tích trữ nước bề mặt; độ ẩm của đất trong thời gian trước đợt mưa đang nghiên cứu; phân bố mưa theo thời gian và cường độ mưa. 2.3. Vai trò của quy luật phân bố mƣa theo thời gian đối với nguy cơ mất an toàn hồ chứa Với mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của luận án, công cụ trực tiếp nhất là mô hình mưa-dòng chảy mặt. 7 trong 8 yếu tố đầu vào đã được nghiên cứu trình bày trong Mục 2.2, trong khi đó yếu tố biến
10. 8 đổi theo thời gian một cách định lượng quyết định chính đến quá trình hình thành dòng chảy trong sông, suối, hồ chứa là lượng mưa và đường quá trình mưa (phân phối mưa) đợt mưa lớn. Trong thủy văn mưa dòng chảy, thuỷ lực công trình hay công tác thiết kế xây dựng hồ chứa thủy lợi, phân bố mưa các đợt mưa lớn đóng vai trò quan trọng phục vụ công tác thiết kế công trình. 2.4. Đƣờng tần suất lƣợng mƣa 1 ngày LN và mƣa 24h LTLN Trong xây dựng đường tần suất mưa 1 ngày LN (còn gọi là mưa ngày đêm), lượng mưa được tính từ 07h ngày hôm trước đến 07h ngày hôm sau. Lượng mưa ứng với các tần suất này được sử dụng trong tính toán thiết kế công trình. Trong khi đó trên thực tế lượng mưa 24h LTLN rất khác lượng mưa 1 ngày và về lý thuyết thì xác suất để 2 đại lượng này bằng nhau là rất nhỏ. Dữ liệu mưa 1 ngày LN và mưa 24h LTLN tại 03 tỉnh với chuỗi số liệu liên tục 22÷23 năm (1990-2012) được xử lý phân tích, xây dựng các đường tần suất kinh nghiệm và lý luận theo cả ba phương pháp là Pearson III, Gumbel và Kristy- Menkel cho kết quả phù hợp và hệ số tương quan cao nhất. 2.5. Lƣợng mƣa 1 ngày lớn nhất và mƣa 24h LTLN Kết quả tính toán mưa 1 ngày theo 22TCN 220-1995: đối với Nghi Lộc cao hơn mưa 1 ngày và thấp hơn mưa 24h LTLN; đối với Hương Khê thấp hơn mưa 1 ngày và mưa 24h LTLN; đối với Đông Hà cao hơn mưa 1 ngày và mưa 24h LTLN theo phân tích trong nghiên cứu này. Lượng mưa 24h LTLN trong huyện Nghi Lộc và Đông Hà đều lớn hơn lượng mưa 1 ngày LN (với Hương Khê chênh lệch nhau nhỏ), và ở P=1% là từ 36,19% đến 50,55% và ở P=0,5% là từ 34,52% đến 53,44%. Phân tích tương quan giữa lượng mưa 24h LTLN và lượng mưa 1 ngày LN đối với ba khu vực nghiên cứu, tiến hành với các dữ liệu thời kỳ 1990-2012. Kết quả như sau: - Đối với Nghi Lộc-Nghệ An: (2.1) WW24h 1,852 ngay 154,65 - Đối với Hương Khê - Hà Tĩnh: 0,0032Wngay (2.2) We24h 126,71 - Đối với Đông Hà - Quảng Trị: 2.3) WW24h 1,310 ngay 32,69
11. 9 Như vậy, nếu có số liệu có độ tin cậy cao về lượng mưa 1 ngày LN thì có thể dự đoán lượng mưa 24h LTLN và ngược lại, các số liệu này là tài liệu để xây dựng mô hình thủy văn thủy lực cần thiết. 2.6. Đặc trƣng mƣa 24h LTLN khu vực nghiên cứu Để nghiên cứu quy luật phân bố mưa 24h LTLN trong năm, xây dựng đường tiến trình mưa 24h LTLN dưới dạng mưa thời đoạn 1h chuẩn hóa Wch (tỷ số giữa lượng mưa thời đoạn 1h và tổng lượng mưa 24h LN) và đường tích lũy mưa giờ chuẩn hóa. Đặc điểm nổi bật trong phân bố mưa giờ chuẩn tích lũy đối với cả 03 khu vực nghiên cứu là dạng đối xứng của các đường cong qua điểm tâm (12h;0,5), tức đường phân bố mưa chuẩn hóa là đường thẳng (mỗi giờ lượng mưa chuẩn hóa là 1/24) (các đường màu đỏ trên Hình 2-15) là đường phân chia 2 nhóm đường cong đối xứng này. Trên Hình 2-15 thể hiện ba đường cong phân bố lệch chuẩn là: TB và cộng trừ giá trị lệch chuẩn của 03 thông số hình dáng (α), trung tuyến (ξ) và phương sai (ω) (tương ứng là các đường cong màu đen, đen gạch dày và đen gạch thưa). Mưa lớn với tần suất nhỏ là đối tượng quan tâm nên số liệu mưa 24h LTLN có tần suất từ 20% trở xuống được sử dụng phân tích. 1,00 Vinh - Nghệ An - 1991-2012 0,90 0,80 0,70 chuẩn hóa 1h 0,60 0,50 0,40 TB TB-σ 1991 1992 1993 1994 0,30 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Tỷ lượngmưalệcộng dồn Tỷ 2001 2002 2003 0,20 2004 2005 2006 2007 2008 2009 0,10 2010 2011 2012 Wch 0,00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Giờ Hình 2-15. Đường cong lũy tích mưa 24h LTLN chuẩn hóa - trạm KTTV Vinh 1991-2012 Các hồ chứa nhỏ, diện tích lưu vực nhỏ nên phân bố mưa theo thời
12. 10 đoạn 1h trong đợt mưa 24h LTLN được tập trung nghiên cứu đánh giá. 2.7. Vai trò của phân bố mƣa trong sức chịu tải dòng chảy lũ đến hồ của các công trình hồ chứa nhỏ vùng BTB 2.7.1. Đặc tính phân bố mưa vùng BTB Phân bố mưa 24h LTLN có vai trò lớn trong hình thành dòng chảy lũ, là yếu tố cơ bản cấu thành lũ lớn gây nên các sự cố công trình hồ chứa. Geoffrey S. Dendy (1987) đã tiến hành nghiên cứu phân bố mưa 24h LTLN và các yếu tố quyết định dòng chảy đỉnh lũ đối với Tây Nam Florida (Mỹ) việc phân tích các đợt mưa lớn từ 18-26h với tổng lượng mưa ≥ 76,2mm cho kết quả phân bố mưa có đỉnh vào thời gian giữa đợt mưa, đồng thời chuyển đổi phân bố mưa 24h LTLN thành dạng chuẩn phục vụ nghiên cứu ứng dụng đối với khu vực. Với 03 khu vực nghiên cứu trong luận án, số liệu được sử dụng xử lý, phân tích là chuỗi số liệu khí tượng thủy văn dài, từ năm 1959-2012 (số liệu theo tháng) và từ năm 1990-2012 (số liệu mưa ngày và mưa giờ các tháng mưa lớn trong các năm). 2.7.2. Cơ sở khoa học quy luật phân bố mưa 24h LTLN Hình dáng đường cong phân bố mưa các trận mưa lớn đóng vai trò quan trọng trong hình thành cường độ dòng chảy lũ lớn. Số liệu cho thấy các đợt mưa theo thời gian, thường có cường độ từ nhỏ- tăng dần lên cực đại-giảm dần đến giá trị nhỏ, nên có dạng rất gần với đường cong hàm mật độ. Phân bố mưa theo thời gian tương tự như các số liệu ngẫu nhiên, nên có phân bố đặc trưng thuộc một trong 3 dạng như sau: 1) Phân bố chuẩn; 2) Phân bố lệch chuẩn trái (đỉnh mưa đến muộn); 3) Phân bố chuẩn lệch phải (đỉnh mưa đến sớm). 2.7.3. Xác định phân bố lệch chuẩn mưa 24h LTLN khu vực NC Kết quả phân tích lệch chuẩn mưa chuẩn hóa 24h LTLN của các năm thời kỳ 1991-2012 của Vinh-Nghệ An, lấy đại diện năm 1991 là năm mưa LN. Giá trị các thông số hình dáng (α), trung tuyến (ξ) và phương sai (ω) của từng đợt mưa 24h LTLN trong năm xác định bằng phương pháp thử dần tới khi đạt hệ số tương quan R2 lớn nhất. Các đại lượng đặc trưng Max, Min, TB và độ lệch chuẩn (σ) của 3 thông số này được
13. 11 xác định bằng phương pháp xác suất thống kê toán học. Các thông số phân bố mưa lệch chuẩn có vai trò quyết định đến hình dáng đường quá trình lũ: thông số hình dáng (α): lệch phải (giá trị dương) thể hiện ban đầu cường độ mưa tăng nhanh theo thời gian, tức dòng lũ lớn hình thành sớm, và ngược lại. Giá trị trung tâm (ξ): thể hiện tâm mưa vào thời điểm giá trị ξ, và lũ lớn vào khoảng thời gian ξ cộng đại lượng chễ nào đó phụ thuộc vào các yếu tố địa hình và mặt đệm lưu vực. Phương sai (ω): thể hiện tốc độ gia tăng cường độ mưa, giá trị càng nhỏ cường độ mưa tăng càng nhanh, đạt LN vào thời điểm ξ, và ngược lại. Hình 2-22. Mưa thời đoạn 1h chuẩn hóa Hình 2-23. Mưa thời đoạn 1h chuẩn đợt mưa 24h LTLN hóa tích lũy đợt mưa 24h LTLN Giá trị phương sai (ω) của phân bố mưa lệch chuẩn có vai trò quan trọng nhất đối với dòng chảy lũ LN, và nếu kết hợp với thông số hình dáng (α) sẽ quyết định đỉnh lũ trong đợt mưa 24h LTLN đó đến sớm hay muộn. Vì vậy, các trường hợp nghiên cứu đặc trưng về phân bố mưa lệch chuẩn nên được lựa chọn là: thông số hình dáng (α) và giá trị trung tâm (ξ) là giá trị TB. Giá trị phương sai (ω) biến thiên từ giá trị nhỏ nhất đến TB với bước thay đổi là 0,5 giá trị độ lệch chuẩn (σ). Quá trình dòng chảy hình thành bởi 04 đường cong phân bố mưa giờ lệch chuẩn đặc trưng với phương sai ωTB=2,66; ωTB-0,5σ=2,11; ωTB- σ=1,56; 0,5(ω++ωTB-σ)=1,13 và ωmin=0,7 với thông số hình dáng (α) và giá trị trung tâm (ξ) sẽ được mô hình mưa-dòng chảy HEC-HMS xác định. Tính toán tương tự cho Hương Khê và Đông Hà. + Nhận xét về phân bố lệch chuẩn cường độ mưa 1h đợt mưa 24h LTLN khu vực nghiên cứu:
14. 12 - Đối với Vinh-Nghệ An: Cường độ mưa LN rơi vào giờ thứ 10÷11 của 24 giờ đợt mưa LN. Cường độ mưa 1h có sự biến thiên rất lớn, có trường hợp mưa 1h đạt tới khoảng 45% tổng lượng mưa 24h, TB là 7,5%. Trường hợp giá trị phương sai (ω) cường độ mưa 1h lớn hơn giá trị TB thì tổng lượng mưa trong thời gian 24h nhỏ hơn 95% tổng lượng mưa của cả đợt, và với giá trị phương sai LN tổng lượng mưa 24h chỉ đạt khoảng 70%. Vì vậy, với khu vực này, chỉ sử dụng phân bố cường độ mưa 1h đợt mưa 24h LTLN có giá trị lệch chuẩn bé hơn hoặc bằng giá trị TB trong phân tích đánh giá nghiên cứu. + Đối với Hương Khê-Hà Tĩnh: Cường độ mưa LN rơi vào giờ thứ 11÷12 của 24 giờ đợt mưa LN. Cường độ mưa 1h có sự biến thiên không lớn như tại Vinh-Nghệ An, mưa 1h đạt từ 4% đến 20% tổng lượng mưa 24h, TB là 12%. Trường hợp giá trị phương sai (ω) cường độ mưa 1h lớn hơn giá trị TB cộng 0,5 độ lệch tiêu chuẩn thì tổng lượng mưa trong thời gian 24h nhỏ hơn 95% tổng lượng mưa của cả đợt, và với giá trị phương sai LN tổng lượng mưa 24h chỉ đạt khoảng 72%. Vì vậy, với khu vực này, chỉ sử dụng phân bố cường độ mưa 1h đợt mưa 24h LTLN có giá trị lệch chuẩn bé hơn hoặc bảng giá trị TB cộng 0,5 độ lệch tiêu chuẩn trong phân tích đánh giá nghiên cứu. + Đối với Đông Hà-Quảng Trị: Cường độ mưa LN rơi vào giờ thứ 10÷11 của 24 giờ đợt mưa LN. Cường độ mưa 1h có sự biến thiên không lớn như tại Vinh-Nghệ An, mưa 1h đạt từ 3% đến 14% tổng lượng mưa 24h, TB khoảng 8%. Trường hợp giá trị phương sai (ω) cường độ mưa 1h bằng hoặc lớn hơn giá trị TB thì tổng lượng mưa trong thời gian 24h nhỏ hơn 95% tổng lượng mưa của cả đợt, và với giá trị phương sai LN tổng lượng mưa 24h chỉ đạt 77%. Vì vậy, với khu vực này, chỉ sử dụng phân bố cường độ mưa 1h đợt mưa 24h LTLN có giá trị lệch chuẩn bé hơn giá trị TB trong phân tích đánh giá nghiên cứu. - Về phân bố mưa ngắn hơn 24h LTLN:
15. 13 + Phân bố mưa thời đoạn ngắn trong các đợt mưa lớn đóng vai trò quan trọng trong tính toán phân tích và xây dựng mô hình mưa-dòng chảy mặt để xác định cường độ dòng chảy lũ. + Với các công trình hồ đập, thời gian kéo dài dòng chảy nhiều trường hợp không có vai trò lớn như cường độ dòng chảy lũ đến hồ. Với các lý do trên, xác định cường độ mưa thời đoạn ngắn hơn 1h có ý nghĩa lớn trong tính toán thiết kế và đánh giá khả năng xả lũ của công trình hồ đập. Vì vậy, phân tích xác định mưa thời đoạn ngắn hơn 1h LN là cần thiết. Tuy nhiên, thực tế quan trắc mưa hiện có ở nước ta chủ yếu cho số liệu mưa thời đoạn ngắn nhất là 1h. Do đó, đã tiến hành phân tích xác định mưa thời đoạn 1h LN. - Cường độ và tần suất mưa 1h LN thời kỳ 1990-2012 được xác định từ số liệu mưa 1h. Điểm đáng lưu ý là hầu hết mưa 1h LN rơi vào thời gian mưa 24h LTLN: đối với Vinh thời kỳ 1992-2012 có 13 điểm, đối với Hương Khê thời kỳ 1990-2012 là 18 điểm và đối với Đông Hà thời kỳ 1990-2012 là 19 điểm. Phân tích tính toán tần suất mưa 1h LN đối với 3 khu vực trên xác định theo PP đường tần suất lý luận cho kết quả sai lệch ít nhất so với tần suất kinh nghiệm. 2.8. Phƣơng pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố liên quan đến mƣa lũ đối với các công trình hồ chứa nhỏ vùng BTB Để xây dựng phương pháp luận, có thể xuất phát từ phương trình sau đây của Van Te Chow 47: dS I()() t O t (2.23) dt Trong đó: S là thể tích chứa, t là thời gian, I là lưu lượng dòng chảy tới (hồ chứa), O là lưu lượng dòng chảy đi khỏi (hồ chứa). Trong tường hợp có lũ, thì dung tích hồ (W) chứa được chia làm 2 thành phần là dung tích chứa lũ (W1) và dung tích cắt lũ (W2); sử dụng W cho ký hiệu S trong công thức (2.23) ta sẽ có phương trình: dW dW dW 12 I()() t O t (2.24) dt dt dt
16. 14 Trong đó: W1 là dung tích chứa lũ, W2 là dung tích cắt lũ của mặt thoáng (W=W1+W2), O là lưu lượng xả lũ của tràn và I là lưu lượng sinh lũ của lưu vực. Sau khi nghiên cứu phân tích các vấn đề có mối liên quan đến các thành phần và cân bằng nước phương trình (2.24), ba đặc tính hồ chứa được đề xuất được lập luận như sau: 1) Tỷ số giữa dung tích hồ chứa (V) và diện tích lưu vực (Flv) thu 3 2 nước (KV=V/Flv (m /m m): Gián tiếp thể hiện khả năng chứa lũ của hồ đối với lượng nước lũ đến hồ từ lưu vực thượng lưu. 2) Tỷ số giữa diện tích mặt thoáng hồ chứa (S) và diện tích lưu vực 2 2 thu nước (Flv) (KS=S/Flv) (m /m ): Trực tiếp thể hiện mực nước dâng lên trong hồ chứa (lượng nước tới hồ từ 1 đơn vị diện tích lưu vực được chứa trong KS đơn vị diện tích mặt hồ). 3) Tỷ số giữa lưu lượng nước (Q) từ lưu vực tập trung vào hồ chứa và chiều rộng đập tràn (B) trong đợt mưa lũ thời đoạn nào đó (chẳng hạn 3 1h) (KQ=Q/B) (m /h/m): Tỷ số này càng lớn thì nguy cơ sự cố hồ chứa càng cao, và ngược lại tỷ số này càng nhỏ thì nguy cơ sự cố hồ chứa càng giảm (với giả thiết rằng năng lực tràn xả lũ trên 1m dài đập tràn của các hồ chứa như nhau: tràn tự do, đỉnh rộng). Các đặc tính liên quan đến hồ chứa nêu trên là định lượng, và mỗi một hồ chứa có một giá trị nhất định. Trên cơ sở lựa chọn phân cấp nguy cơ sự cố, tác giả đã lập luận phân cấp KV thành 5 cấp. Theo tính toán cân bằng nước trong thiết kế hồ chứa tại khu vực nghiên cứu và để thiên về an toàn sẽ tính được (KV)0 với Nghệ An là khoảng 0,80. Như vậy, khi phân 5 cấp nguy cơ sự cố hồ chứa theo giá trị chỉ số KV LN là 0,80 và với giá trị bước nhảy bằng giá trị độ lệch chuẩn là 0,2. Tương tự như chỉ số KV, chỉ số KS này thể hiện vai trò tích trữ nước mưa rơi trên lưu vực trước khi được xả xuống hạ lưu và thể hiện khả năng cắt lũ của hồ đối với lượng mưa trên lưu vực ứng với đại lượng dâng cao mực nước trong hồ, nên việc phân chia các nhóm giá trị cần phải tính đến lượng nước tới hồ. Với lập luận đã đưa ra cơ sở để phân
17. 15 cấp mức độ nguy cơ sự cố hồ chứa theo chỉ số KS. Theo công thức tính lưu lượng xả qua tràn tự do, đỉnh rộng với giả thiết cột nước trên tràn có giá trị Htr = 1,254m và chiều rộng (B) của tràn là 1m, ứng với từng giá trị Htr khác nhau (1,25; 2,0; 2,5; 4,0m), có các giá trị tương ứng của lưu lượng tràn đơn vị (lưu lượng xả trên 1m chiều rộng tràn) là 1,98; 4,01; 5,6; 11,34. Đây là cơ sở để phân cấp mức độ nguy cơ sự cố hồ chứa theo chỉ số KQ. Phân cấp nguy cơ sự cố hồ đập KV KS KQ - Nguy cơ sự cố hồ chứa thấp ≥0,8 ≥ 0,08 <2,0 - Nguy cơ sự cố hồ chứa trung bình 0,6÷0,8 0,06÷0,08 2,0÷4,0 - Nguy cơ sự cố hồ chứa tương đối cao 0,4÷0,6 0,04÷0,06 4,0÷6,0 - Nguy cơ sự cố hồ chứa cao 0,2÷0,4 0,02÷0,04 6,0÷12,0 - Nguy cơ sự cố hồ chứa rất cao <0,2 <0,02 ≥12 2.9. Kết luận Chƣơng 2 Phân bố mưa theo thời gian và cường độ mưa là yếu tố quan trọng trong các yếu tố lưu vực ảnh hưởng đến sự hình thành dòng chảy lũ và điều này rõ ràng hơn khi phân tích vai trò quy luật phân bố mưa theo thời gian đối với nguy cơ mất an toàn hồ chứa. Đã xác định đặc trưng mưa gây lũ, tần suất mưa 1 ngày LN và mưa 24h LTLN, đặc trưng mưa 24h LTLN của khu vực nghiên cứu. Đã xác lập mối tương quan giữa mưa 24h LTLN và mưa ngày, phục vụ xác định lượng mưa 24h LTLN dùng trong các tính toán và mô hình lũ Phân bố mưa 24h LTLN các năm có dạng phân bố lệch chuẩn, có mức độ tương quan đường cong mưa tích lũy rất chặt chẽ (R2 tới trên 0,9); Xác định đường quá trình dòng chảy lũ đến hồ thay đổi phụ thuộc vào dạng phân bố mưa 24h LN, cụ thể với dạng lệch trái Nghệ An, Quảng Trị (đỉnh lũ 10÷11 giờ), lệch trái ít hơn có Hà Tĩnh (đỉnh lũ 11÷12 giờ). Đã đề xuất, luận giải, xây dựng phương pháp luận và áp dụng phân cấp nguy cơ sự cố do mưa lũ các hồ chứa vừa và nhỏ vùng BTB với các chỉ số Kv, Ks, KQ thể hiện mức độ nguy cơ sự cố một cách có cơ sở khoa học và phù hợp điều kiện thực tiễn địa phương.
18. 16 CHƢƠNG 3. PHÂN CẤP NGUY CƠ SỰ CỐ DO MƢA LŨ, ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI VÀ KHẢ NĂNG XẢ LŨ NHẰM NÂNG CAO AN TOÀN CÁC HỒ CHỨA NHỎ VÙNG BTB 3.1. Phân cấp mức độ nguy cơ sự cố liên quan đến mƣa lũ đối với các công trình hồ chứa nhỏ tỉnh Nghệ An Ứng dụng phân cấp mức độ nguy cơ sự cố hồ được tiến hành cho từng nhóm hồ chứa có dung tích (1÷3 triệu m3) và (0,5÷1 triệu m3). 3 Bảng 3- 1: Số lượng hồ dung tích (1÷3 triệu m ) theo cặp giá trị KV và KS KV Số lượng trong nhóm <0,2 0,2÷0,4 0,4÷0,6 0,6÷0,8 ≥0,8 KS 7 17 11 4 0 <0,02 10 7 3 0,02÷0,4 17 12 5 0,04÷0,06 6 1 4 1 0,06÷0,08 6 1 2 3 ≥0,08 0 0 Đánh giá kết quả phân cấp nguy cơ sự cố và sự cố thực tế khu vực tỉnh Nghệ An Bảng 3-5: Giá trị KV , KS và KQ các hồ đập đã xảy ra sự cố V V 6 6 Tên hồ (10 KV KS KQ Tên hồ (10 KV KS KQ m3) m3) Khe Lim 0,42 0,093 0,014 6,381 Ba Tùng 5,46 0,437 0,036 23,634 Tây 1,20 0,174 0,017 - Vệ Vừng 16,8 0,452 0,052 - Nguyên Bản 0,51 0,204 0,023 3,120 Nhà Trò 5,24 0,540 0,042 7,565 Muổng Nghi 2,40 0,207 0,021 3,619 Thạch Tiền 2,14 0,578 0,039 5,771 Công Quản Hài 4,60 0,245 0,016 19,25 Đá Bàn 1,05 0,618 0,062 5,304 Kẻ Sặc 2,98 0,284 0,030 10,23 Cửa Ông 2,08 0,621 0,067 3,266 Tiến Sơn 0,52 0,347 0,046 2,340 Đồng Đẻn 1,11 0,657 0,047 0,976 3 Đồn 3,90 0,357 0,027 8,119 Tràng Đen 3,82 0,849 0,107 5,014 Húng
19. 17 Bảng 3-6: Vị trí các hồ đập xảy ra sự cố trong ma trận KV và KS KV <0,2 0,2÷0,4 0,4÷0,6 0,6÷0,8 ≥0,8 Khe Lim, Tràng <0,02 Quản Hài Tây Nguyên Đen Nghi Công Ba Tùng 0,02÷0,04 Bản Muỗng Thạch Tiền Nhà Trò KS 0,04÷0,06 Tiến Sơn 3 Đồng Đẻn Vệ Vừng Đá Bàn 0,06÷0,08 Cửa Ông ≥0,08 Bảng 3-7: Vị trí các hồ đập xảy ra sự cố trong ma trận KQ và KS KS <0,02 0,02÷0,04 0,04÷0,06 0,06÷0,08 ≥0,08 Tây Nguyên ≥12 Quản Hài Ba Tùng (0 có KQ) Đồn Húng 6÷12 Khe Lim Nhà Trò Kẻ Sặc Vệ Vừng Tràng KQ 6÷4 Thạch Tiền Đá Bàn (0 có KQ) Đen Bản Muỗng, 2÷4 Tiến Sơn 3 Cửa Ông Nghi Công <2 Đồng Đẻn Như vậy, 75% số hồ xảy ra sự cố đều có KV<0,6 và KS<0,06 (nhóm nguy cơ sự cố tương đối cao, cao đến rất cao theo KV hoặc theo KS); 69% số hồ đập xảy ra sự cố thuộc nhóm nguy cơ sự cố tương đối cao, cao đến rất cao theo KQ. Đồng thời cho thấy chỉ 1 trong 3 chỉ số này có giá trị nhỏ thì vẫn xảy ra sự cố (như thống kê trong Bảng 3-5). Từng chỉ số KV hoặc KS hoặc KQ đều thể hiện mức độ nguy cơ sự cố của công trình hồ đập. Nhận xét: Chỉ số KV và KS đối với hai loại dung tích hồ trên có tương quan tuyến tính. Tương quan giữa hai chỉ số này của nhóm hồ dung tích (1÷3 triệu m3) thấp hơn so với nhóm hồ dung tích (0,5÷1 triệu m3). 3.2. Kết quả phân cấp mức độ nguy cơ sự cố liên quan đến mƣa lũ đối với các công trình hồ chứa nhỏ khu vực Hà Tĩnh và Quảng Trị 3.2.1. Tỉnh Hà Tĩnh:
20. 18 Tính toán tương tự như Nghệ An sẽ có được kết quả như sau: Bảng 3-8: Nhóm phân cấp rủi ro theo các tỷ số KV, KS và KQ Nhóm Cấp cấp rủi ro KV KS KQ 5 Rất cao <0,2 <0,02 ≥12 4 Cao 0,2÷0,4 0,02÷0,04 6÷12 3 Tương đối cao 0,4÷0,63 0,04÷0,06 4÷6 2 Trung bình 0,63÷0,86 0,06÷0,08 2÷4 1 Thấp ≥0,86 ≥0,08 <2 3 Bảng 3-9: Số lượng hồ dung tích (1÷3 triệu m ) theo cặp giá trị KV và KS K Tổng số hồ : 44 (n/c) V <0,2 0,2÷0,4 0,4÷0,63 0,63÷0,86 ≥0,86 Số lượng K 4 8 13 4 13 S trong nhóm <0,02 6 4 2 0,02÷0,04 2 1 1 0,04÷0,06 5 1 3 1 0,06÷0,08 5 1 1 1 2 ≥0,08 24 3 8 2 11 Ghi chú: Chữ màu đỏ là nhóm rủi ro tương đối cao, cao và rất cao. 3.2.2. Tỉnh Quảng Trị Tương tự như Nghệ An và Hà Tĩnh sẽ có được kết quả như sau: Bảng 3-13: Nhóm phân cấp rủi ro theo các chỉ số KV, KS và KQ Nhóm Cấp nguy cơ KV KS=WP=1%/ΔH KQ 5 Rất cao <0,2 <0,017 ≥12 4 Cao 0,2÷0,4 0,017÷0,034 6÷12 3 Tương đối cao 0,4÷0,6 0,034÷0,051 4÷6 2 Trung bình 0,60÷0,76 0,051÷0,068 2÷4 1 Thấp ≥0,76 ≥0,068 <2 3 Bảng 3-14: Số lượng hồ dung tích (1÷3 triệu m ) theo cặp giá trị KV và KS K Tổng số hồ: 24 (n/c) V <0,2 0,2÷0,4 0,4÷0,6 0,6÷0,76 ≥0,76 KS Số lượng trong nhóm 4 4 4 1 11 <0,017 2 2 0,017÷0,034 4 2 2 0,034÷0,051 5 2 3 0,051÷0,068 1 1 ≥0,068 12 1 11
21. 19 3.3. Mô hình đánh giá ảnh hƣởng của phân bố mƣa 24h LTLN tới dòng chảy lũ đến hồ và nhu cầu xả lũ của hồ chứa 3.3.1. Mô hình phần mềm HEC-HMS Phần mềm mô hình HEC-HMS là một trong các phần mềm mô hình mưa-dòng chảy của Mỹ được xây dựng để trình diễn một cách định lượng toàn bộ quá trình hình thành dòng chảy mặt từ quá trình mưa. Các thông số đầu vào là cường độ mưa, tính chất của thảm thực vật và đất-đá, độ dốc, sự phân chia địa hình và sức cản dòng chảy mặt trước khi tới điểm tập trung nước vào sông, suối, hồ chứa 3.3.2. Đặc điểm phân bố mưa 24h LTLN và 1h LN Luận án sử dụng phần mềm mô hình HEC-HMS trong mô phỏng xác định quá trình dòng chảy tới hồ chứa nhằm xác định các đặc tính liên quan trực tiếp trong quá trình mưa lũ là dung tích hồ, diện tích mặt nước hồ, mực nước hồ, lưu lượng nước đến và thoát khỏi hồ. Lựa chọn tần suất mưa 24h LTLN được lập luận như sau: - Việc đánh giá sức chịu tải lũ và nhu cầu xả lũ của hồ-đập có yêu cầu như công tác kiểm tra, nên tần suất mưa lũ sẽ là tần suất kiểm tra; - Theo dung tích với hồ chứa từ 1÷3 triệu m3 và theo chiều cao đập từ 10÷15m thì các hồ nghiên cứu phần lớn thuộc cấp IV có Ptk=1,5% và có Pkt=0,5%; vì vậy, sử dụng Pkt=0,5% để đánh giá nhu cầu xả lũ của hồ-đập. Giả thiết mưa 1h LN nằm trong mưa 24h LTLN và cùng tần suất Pkt=0,5%. Theo Mục 2.7.3, mưa 1h LN và 24h LN tần suất Pkt=0,5% với Vinh tương ứng là 124,5mm và 595mm; Hương Khê là 124,7mm và 637,6mm và Đông Hà là 111,7mm và 719,2mm. Phân bố mưa từng giờ trong 24h sẽ được tính toán theo các thông số phân bố mưa chuẩn lệch, mưa 1h LN và tổng mưa 24h là mưa 24h LTLN. Với số liệu mưa tại trạm khí tượng thủy văn Vinh-Nghệ An, phân bố mưa lệch chuẩn với giá trị phương sai ω=2,28 bằng giá trị phương sai TB ωTB trừ đi giá trị độ lệch chuẩn σ=3,19 của phương sai (ωTB- σ=5,47-3,19=2,28). 3.3.3. Mô hình đánh giá ảnh hưởng của phân bố mưa tới dòng chảy lũ đến hồ và nhu cầu xả lũ hồ chứa nước Khe Nu
22. 20 Xây dựng mô hình mưa dòng chảy bằng phần mềm HEC-HMS để tính cho hồ chứa Khe Nu, xã Nghi Kiều, Nghi Lộc, Nghệ An, trên cơ sở phân tích địa hình, phân chia lưu vực thành 10 tiểu lưu vực. Các thông số đầu vào bao gồm chỉ số CN và phần trăm diện tích mặt đất không thấm: - Về loại đất, là đất có nhiều sản phẩm Feralit, địa hình tương đối bằng phẳng, và đất Feralit xói mòn các vùng núi cao. - Nước dưới đất rất nghèo. Từ các yếu tố trên, nhóm đất để tính chỉ số CN của khu vực này thuộc nhóm D, có chỉ số CN sau: đất NN: ≥85; đất rừng: ≥77; đất bãi trống có độ che phủ ≥75%: ≥80; Giá trị chỉ số CN được xác định ngoài thực địa theo thực trạng thảm thực vật. Hình 3-21. Sơ đồ các tiểu lưu vực hồ Hình 3-22. Sơ đồ mô hình HEC-HMS Đánh giá rủi ro nguy cơ mưa lớn ảnh hưởng đến hồ chứa, thời gian xảy ra trong mùa mưa, hồ chứa đã được tích nhiều nước, có mực nước cao, nhu cầu sử dụng nước rất thấp, thậm chí bằng không. Trong đánh giá nguy cơ sự cố đối với hồ chứa nước Khe Nu, lấy mực nước hồ bằng cao độ đỉnh đập tràn thời điểm bắt đầu mưa lớn. Mô hình mưa 24h LTLN với các giá trị độ lệch chuẩn khác nhau của phân bố mưa lệch chuẩn P=0,5% Mục 3.3.3 đã mô hình đối với trường hợp mưa 24h LTLN thực tế năm 2010 với tần suất P=0,5% với 6 trường hợp phân bố mưa lớn đặc trưng lệch chuẩn và xác định đường quá trình lũ đến hồ, mà tổng lượng mưa 24h vẫn không thay đổi và bằng 595mm. Kết quả cho thấy mực nước hồ dâng cao từ 17,5m (ngưỡng tràn) lên
23. 21 cực đại là 17,6m vào ngày 17 và hạ nhanh xuống mức 17,5m. Lưu lượng nước đến hồ và thoát qua tràn nhỏ. Với các đặc tính phân bố mưa lệch chuẩn sử dụng trong mô hình mưa-dòng chảy, kết quả cho giá trị độ lệch chuẩn từ TB đến TB trừ giá trị phương sai của hệ số độ lệch chuẩn, lưu lượng đến hồ ứng với tần suất mưa 24h LTLN là 0,5% không lớn hơn sức xả lũ của tràn. Tuy nhiên, với độ lệch chuẩn nhỏ nhất thì lưu lượng dòng chảy đến hồ rất lớn, tới khoảng 5,5 lần trường hợp giá trị độ lệch chuẩn TB trừ phương sai, đồng thời lớn hơn năng lực xả lũ của tràn và mực nước hồ đạt +19,18m, tức là cao hơn MNDGC 0,08m. Q đến (m3/s) - ωMin 450 /s) Qmax tới hồ Q đến (m3/s) - 0,5[0,5(Min+ωTB-σ)+ωMin] 3 400 Q đến (m3/s) - 0,5(Min+ωTB-σ) (m Q tràn (m3/s) - ωMin 350 Q tràn (m3/s) - 0,5[0,5(Min+ωTB-σ)+ωMin] Q tràn (m3/s) - 0,5(Min+ωTB-σ) 300 450 250 400 200 350 tớiQmax hồ /s) 3 300 150 Qmax = 323,51ω-1,763 250 100 R² = 0,9972 200 50 150 Lưu lượng Lưu lượng lượng Lưu (m 100 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 50 Độ chuẩn lệch ω (h) 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Hình 3-30. Quan hệ Qmax đến và độ Thời gian từ đầu đợt mưa (h) lệch chuẩn của phân bố mưa lệch Hình 3-29. Đường quá trình Q đến-đi chuẩn Kết quả này là một minh chứng cho sự cần thiết bổ sung yêu cầu về dạng phân bố mưa 24h LTLN trong qui chuẩn thiết kế hồ chứa, đặc biệt là đối với các công trình có qui mô lớn. Hồ Khe Nu với giá trị độ lệch chuẩn từ TB đến nhỏ nhất thời gian chễ của đỉnh lũ (lưu lượng dòng chảy đến hồ) so với đỉnh mưa thay đổi từ 0,63h (37phút) đến 2,25h (135phút), và đáng chú ý là với giá trị độ lệch chuẩn từ ωTB- σ=0,5(ωmin+ωTB-σ) xuống ωmin đều có thời gian chễ là khoảng 135phút. 3.4. Đề xuất công tác nâng cao an toàn hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ do ảnh hƣởng của mƣa lũ 3.4.1. Xác định sức chịu tải và yêu cầu xả lũ nhằm nâng cao an toàn cho hồ chứa
24. 22 Sử dụng kết quả tính toán mưa 1h LN và 24h LTLN tần suất Pkt=0,5% đối với Vinh tương ứng là 124,5mm và 595mm được sử dụng làm đầu vào của mô hình. Giữ nguyên thông số kỹ thuật hồ Khe Nu và thay đổi diện tích các tiểu lưu vực theo 5 kịch bản 50%, 75%, 100%, 125%, 150% và 200%. Tất cả tương quan giữa lưu lượng đến LN, lưu lượng xả lũ LN và mực nước hồ LN với diện tích lưu vực có dạng tốt nhất là dạng hàm mũ với bình phương hệ số tương quan rất lớn (≈0,999). Với hiện trạng công trình hồ để mực nước hồ LN chỉ đạt tới gần MNDGC thì diện tích lưu vực chỉ được bằng khoảng 86% diện tích lưu vực thực tại, tức là cần phải nâng cao khả năng xả lũ của tràn. Các trường hợp diện tích lưu vực hồ Khe Nu thay đổi sẽ tương ứng có giá trị các chỉ số và cấp nguy cơ sự cố như sau: Bảng 3-26: Giá trị các chỉ số phân cấp nguy cơ sự cố hồ Khe Nu % Diện tích Phân cấp Phân cấp Phân cấp TT diện lƣu vực KV nguy cơ KS nguy cơ KQ nguy cơ 2 tích (km ) theo KV theo KS theo KQ 1 50 4,6891 0,558 Tg đối cao 0,080 Rất thấp 3,231 TB 2 75 7,0336 0,372 Cao 0,053 Tg đối cao 4,846 Tg đối cao Tương đối 3 86 8,0952 0,324 Cao 0,046 Tg đối cao 5,556 cao 4 100 9,3781 0,279 Cao 0,039 Cao 6,461 Cao 5 125 11,7226 0,223 Cao 0,032 Cao 8,076 Cao 6 150 14,0672 0,186 Rất cao 0,027 Cao 9,692 Cao 7 175 16,4117 0,159 Rất cao 0,023 Cao 11,307 Cao 8 200 18,7562 0,140 Rất cao 0,020 Cao 12,922 Rất cao 3.4.2. Đề xuất các bước tiến hành phân cấp nguy cơ sự cố hồ chứa nhỏ vùng Bắc Trung Bộ Đề xuất các bước tiến hành phân cấp NCSC hồ chứa vùng BTB: Bƣớc 1: Thu thập số liệu, phân tích, xác định phân bố mưa và cường độ mưa 1h lớn nhất theo không gian; Bƣớc 2: Thu thập số liệu về các đặc tính hồ chứa, phân tích xử lý; Bƣớc 3: Tính toán giá trị các chỉ số KV, KS, KQ và các đặc trưng thống kê;
25. 23 Bƣớc 4: Xác lập các cấp nguy cơ sự cố theo các chỉ số và mối tương quan, phân tích, đánh giá; Bƣớc 5: Lựa chọn công trình để đánh giá chi tiết bằng các mô hình; Bƣớc 6: Xác định phân bố mưa sử dụng là đầu vào của mô hình; Bƣớc 7: Xác định các thông số phân bố mưa lệch chuẩn và cường độ mưa theo thời gian; Bƣớc 8: Thực hiện mô hình tính toán đường quá trình lũ đến hồ chứa và lưu lượng tràn qua đập tràn. Đánh giá về nguy cơ sự cố công trình. 3.5. Kết luận Chƣơng 3 Đã phân cấp mức độ nguy cơ sự cố liên quan đến mưa lũ đối với một số công trình hồ chứa nhỏ của một số tỉnh vùng BTB theo các chỉ số định lượng hoàn toàn phù hợp với cơ sở khoa học và thực tế diễn biến sự cố các công trình hồ chứa tại địa phương. Đã xác định đường quá trình dòng chảy lũ đến hồ thay đổi phụ thuộc vào dạng phân bố mưa 24h lớn nhất. Đã chỉ ra được sự không đồng nhất rất lớn giữa các đặc tính lòng hồ và diện tích lưu vực thượng lưu của các hồ chứa nhỏ khu vực tỉnh Nghệ An, vì dải giá trị các chỉ số chỉ số KV, KS và KQ rất lớn được thiết lập dựa trên các giá trị thực có của tất cả các hồ, mà diện tích lưu vực thượng lưu công trình hồ Khe Nu được tăng giảm tới 100% mà giá trị các chỉ số này không làm thay đổi hoàn toàn cấp nguy cơ sự cố. Mức độ thay đổi diện tích lưu vực thượng lưu hồ chứa Khe Nu tăng hoặc giảm tới 100% chỉ làm thay đổi cấp nguy cơ chủ yếu là một cấp, điều này cho thấy sự không đồng nhất rất lớn giữa đặc tính lòng hồ và diện tích lưu vực thượng lưu của các hồ chứa nhỏ do dải giá trị các chỉ số chỉ số KV, KS và KQ rất lớn. Xây dựng mô hình tính toán sức chịu tải và yêu cầu xả lũ nhằm nâng cao an toàn cho công trình hồ chứa, đề xuất các bước và nội dung từng bước tiến hành trong tính toán phân cấp nguy cơ sự cố hồ chứa.
26. 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I. Những kết quả đã đạt đƣợc của luận án 1) Luận án đã đánh giá tổng quan nghiên cứu những nguy cơ sự cố hồ chứa do mưa lũ gây ra trên thế giới và ở Việt Nam, đặt ra yêu cầu nghiên cứu cơ sở khoa học và hướng tiếp cận nghiên cứu nguy cơ sự cố hồ chứa nhằm đảm bảo an toàn cho hồ chứa. 2) Luận án đã đề xuất, luận giải và xây dựng phương pháp luận phân cấp mức độ nguy cơ sự cố liên quan đến mưa lũ đối với các công trình hồ chứa nhỏ vùng BTB có cơ sở khoa học chung và điều kiện thực tiễn địa phương. 3) Luận án đã xác lập được các đường tần suất lý luận mưa các đợt mưa có thời gian kéo dài khác nhau theo phương pháp phù hợp nhất; xác lập mối tương quan giữa mưa 24h LTLN và mưa ngày, xác định lượng mưa 24h LTLN dùng trong các tính toán và mô hình lũ , các thông số phân bố lệch chuẩn mưa khu vực là dữ liệu quan trọng cho các mô hình mô phỏng dự báo lũ và sức chịu tải dòng chảy lũ đến hồ. Nghiên cứu mô hình đánh giá sức chịu tải dòng chảy lũ đến hồ và nhu cầu xả lũ hồ chứa nhỏ vùng BTB thông qua áp dụng đối với hồ chứa Khe Nu tại xã Nghi Kiều, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An. II. Kiến nghị Để đưa kết quả nghiên cứu của luận án vào thực tế cũng như ứng dụng trong phân cấp mức độ nguy cơ sự cố do mưa lũ của các hồ chứa ở các khu vực khác cần nghiên cứu thêm: - Nghiên cứu đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ của các lưu vực hồ chứa; - Tiếp tục nghiên cứu đặc tính mưa gây lũ các tỉnh, khu vực (45 tỉnh có hồ chứa) trên phạm vi toàn quốc. Để có một trong các yếu tố đầu vào phục vụ nghiên cứu, tính toán cần bổ sung mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn nhằm dự báo có độ chính xác cao hơn theo thời gian thực.
27. DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng, PGS.TS. Đoàn Doãn Tuấn, ThS. Nguyễn Văn Lợi, (2014), Kết quả nghiên cứu bước đầu phân bố mưa 24 giờ max phục vụ công tác thiết kế công trình xả lũ hồ thủy lợi ở Nghệ An, Tạp chí Khoa học và công nghệ Thủy lợi số 20 ISSN: 1859-4255, tháng 4/2014, trang 64-72; 2. PGS.TS. Đoàn Doãn Tuấn, PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng, ThS. Nguyễn Văn Lợi, (2014). Nghiên cứu đánh giá hạn khí tượng tỉnh Quảng Trị. Tạp chí các khoa học về Trái đất, số 2 tập 36, ISSN: 0866-7187, tháng 6/2014, trang 160-168; 3. ThS. Nguyễn Văn Kiên, ThS. Nguyễn Xuân Thịnh, PGS.TS. Đoàn Doãn Tuấn, ThS. Nguyễn Văn Lợi, (2014), Mô hình cộng đồng quản lý khai thác và phòng tránh rủi ro thiên tai hồ chứa nhỏ tại khu vực miền Trung, Tạp chí Khoa học và công nghệ Thủy lợi số 23 ISSN: 1859-4255, tháng 10/2014, trang 27-35; 4. ThS. Nguyễn Văn Lợi, (2014), Mô hình đánh giá lũ kiểm tra và yêu cầu xả lũ hồ chứa nước Khe Nu - Nghi Lộc - Nghệ An, Tạp chí Khoa học và công nghệ Thủy lợi số 23 ISSN: 1859-4255, tháng 10/2014, trang 82-91; 5. Nguyễn Văn Lợi, (2016). Phương pháp luận phân cấp nguy cơ sự cố công trình hồ thủy lợi và áp dụng đối với khu vực tỉnh Nghệ An liên quan đến mưa lũ. Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội - Các Khoa học Trái đất và Môi trường, ISSN: 0866-8612, Tập 32, Số 3 (2016) 35-48.